JP6503514B2 - Rotary Stirling cycle apparatus and method - Google Patents
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Description
本発明は、概してスターリングサイクルのマシン、及びより具体的にはスターリング式の機関(エンジン)、冷却器(クーラー)、ヒートポンプの分野に関する。とくに、本発明は、回転式の(ロータリー)エキスパンダ機構及びコンプレッサ機構を利用するピストンレスのスターリングサイクルに関する。 The present invention relates generally to the field of Stirling cycle machines, and more particularly Stirling engines, coolers, heat pumps. More particularly, the present invention relates to a pistonless Stirling cycle that utilizes a rotary expander mechanism and a compressor mechanism.
スターリングサイクルは、とりわけ空気又は他のガス(すなわち、作動流体)の異なる温度での周期的圧縮及び膨張を含み、これにより熱エネルギーを機械的仕事に掛け値なく変換する熱力学的サイクルである。さらに、このサイクルは可逆的であることも知られており、このことは、機械的動力が供給される場合、装置はヒートポンプ又は冷却マシンとして機能することができ、対応する加熱又は冷却、及び極低温冷却でさえも行うことを意味する。 The Stirling cycle is a thermodynamic cycle that involves, among other things, cyclical compression and expansion of air or other gas (i.e., working fluid) at different temperatures, thereby converting thermal energy into mechanical work without value. Furthermore, it is also known that this cycle is reversible, which means that when mechanical power is supplied, the device can function as a heat pump or cooling machine, with corresponding heating or cooling, and poles. It means even performing low temperature cooling.
より具体的には、スターリングサイクルは、概して永久的にガス状作動流体を利用する閉じた再生的サイクルである。ここで、「閉じたサイクル(closed-cycle)」とは、作動流体が熱力学系内に恒久的に封入されていることを意味し、また用語「再生的(regenerative)」は、内部熱交換器、いわゆる再生器(regenerator)を使用することに言及する。再生器は、さもないと不可逆的に通り抜けてしまうであろう内部熱を再循環させることによってデバイスの熱効率を向上させる。スターリングサイクルは、多くの他の熱力学的サイクルと同様に、4つの主要プロセス、すなわち、(i)圧縮、(ii)熱付与、(iii)膨張、及び(iv)熱除去のプロセスからなる。しかし、実際の機関において、これらプロセスは個別のものではなく、むしろオーバーラップする。 More specifically, the Stirling cycle is a closed regenerative cycle that generally utilizes a gaseous working fluid permanently. Here, "closed-cycle" means that the working fluid is permanently enclosed in the thermodynamic system, and the term "regeneration" means internal heat exchange. Reference to the use of a so-called regenerator. The regenerator improves the thermal efficiency of the device by recycling internal heat that would otherwise be irreversibly passed through. The Stirling cycle, like many other thermodynamic cycles, consists of four major processes: (i) compression, (ii) heat application, (iii) expansion, and (iv) heat removal. However, in practical institutions, these processes are not separate but rather overlap.
クランク駆動機構を有する典型的なスターリング機関(エンジン)10の例を図1に示す。ここで、単一ガス回路は、3つの熱交換器、すなわちヒータ16、再生器18及び冷却器20のチャンネルを介して互いに接続した2つのシリンダ12、14で形成される。ヒータ16の外面は高温環境に露出することによって上昇した温度を有し、その機能は、作動流体がヒータ16のチャンネルを流動する間に機関内の作動流体に熱を伝達する。冷却器20の外面は比較的低温環境に曝され、その機能は、作動流体が冷却器20のチャンネルを流動する間に作動流体から熱を放出する。
An example of a typical Stirling engine (engine) 10 having a crank drive is shown in FIG. Here, a single gas circuit is formed by two heat exchangers, ie two
再生器18は熱損失を回避するため6と冷却器20との間に導入し、そうしないとヒータ16及び冷却器20が直接接触する場合に熱損失を生ずる。この実施例の再生器18は、金属ケーシング内に包囲した多孔質媒体を有する。この多孔質媒体は、高熱容量を有する、また理想的には無限放射方向熱伝導及びゼロ軸方向熱伝導を有する材料から形成するものとする。多孔質媒体は、ヒートスポンジとして作用し、熱を再生器の材料に伝達し、また作動流体が「ホット」ゾーンから「コールド」ゾーンに流動するとき蓄熱するものと理解することができる。作動流体が逆方向に流れるとき蓄積された熱は再生器から作動流体に帰還する。通常断熱材を使用して多孔質媒体をケーシングの壁から隔離し、熱損失を少なくする。
The
熱入力フェーズ中作動流体の大部分をホットゾーン(すなわち、熱シリンダ12及びヒータ16)に供給するため、熱除去フェーズ中作動流体の大部分をコールドゾーン(すなわち、冷シリンダ14及び冷却器20)に供給するため、熱シリンダ12内のピストン22は、通常は変位の90゜〜110゜だけ冷シリンダ14のピストン24に対して先行し、熱シリンダ12の容積は、その変動に関して冷シリンダ14の容積に対して90゜〜120゜の角度だけ先行する。
Most of the working fluid during the heat removal phase is cold zone (ie, the
図2aは、熱シリンダ12内の容積変化(変動)の例示的グラフ(破線)及び冷シリンダ14の容積変化の例示的グラフ(実線)を示す。 FIG. 2 a shows an exemplary graph of the change in volume (variation) in the thermal cylinder 12 (dashed line) and an exemplary graph of the change in volume of the cold cylinder 14 (solid line).
熱交換器のセット(ヒータ16、再生器18及び冷却器20)によって接続される2つの可変容積(熱及び冷)、冷空間の容積変動に対して90゜〜110゜だけ先行する熱空間の容積変動、及び熱交換器のセット16、18、20のチャンネルを介して可変の熱空間と冷空間との間における作動ガスの往復流動が、スターリングサイクル・マシンの特徴である。可変の熱又は膨張体積(破線)及び可変の冷又は圧縮体積(実線)の典型的なPVグラフを図2bに示す。
Two variable volumes (heat and cold) connected by a set of heat exchangers (
したがって、ヒータ16が比較的高温の環境に曝され、また冷却器20が比較的低温の環境に曝される場合、マシンは力を発揮する(すなわち、熱又は膨張空間面積は冷又は圧縮空間面積よりも大きい、図2b参照)エンジンとして機能する。
Thus, when the
しかし、冷却器20が比較的低温の環境に曝され、またピストンが電動モータ(例えば、シャフトを介する)又は他の作動源を用いて駆動される場合、熱交換器16及び可変膨張空間12内における作動流体の温度は相当減少し(例えば、極低温レベルまで低下し)、これによりマシンは、低温を発生する冷却デバイスとして作用する(すなわち、PVグラフにおける膨張空間面積は、圧縮空間面積よりも小さい)。
However, if the
代案として、熱交換器16が比較的低温の環境に曝され、またピストンが電動モータ(例えば、シャフトを介する)又は他の作動源を用いて駆動される場合、冷却器20内における熱除去温度は、熱交換器16の温度よりも相当高くなり、またマシンはヒートポンプとして作動する(すなわち、低温で熱を吸収し、また高温で熱を配給する。)
Alternatively, the heat removal temperature in the
シリンダ内でピストンが往復運動する従来式スターリングマシンのサイクルは、通常360゜のシャフト角後に完了する。 The cycle of a conventional Stirling machine in which the pistons reciprocate in the cylinder is usually completed after a shaft angle of 360 °.
しかし、シリンダ内でピストンが往復運動する従来式スターリングマシン(運動学的駆動機関又は自由ピストン往復運動マシン)のサイクルは、例えば、以下のような相当な欠点、すなわち、
・マシンの重量及び寸法をより大きくする結果となるシリンダ内可変容積の比較的大きな容積及び大きな固有面積;
・クランクケースの比較的大きな容積及び重量、並びにクランク駆動又は他のタイプの運動学的駆動機構の複雑さ;
・自由ピストンマシンにおけるシャフトの比較的低い回転速度又はピストン往復振動数を結果として生ずるピストンの比較的低い線速度、
という欠点がある。
However, the cycle of a conventional Stirling machine (kinematic drive engine or free piston reciprocating machine) in which the pistons reciprocate in the cylinder has, for example, the following considerable disadvantages:
A relatively large volume and large specific area of the in-cylinder variable volume which results in greater machine weight and dimensions;
The relatively large volume and weight of the crankcase, and the complexity of the crank drive or other type of kinematic drive mechanism;
A relatively low rotational speed of the shaft in a free piston machine or a relatively low linear velocity of the piston resulting from a piston reciprocating frequency
There is a drawback of that.
これらマシンのサイズ及び重量を減少するため、設計者は、垂直ロッド連接ピストン及び駆動機構(すなわち、いわゆる非加圧クランクケース)の「封止」を用いて、クランクケースを機関のガス回路を分離することができる。 In order to reduce the size and weight of these machines, designers use the “seal” of vertical rod articulated pistons and drive mechanisms (ie so-called non-pressurized crankcases) to separate the crankcase into the engine's gas circuit. can do.
このような封止は極めて限られた数のスターリングマシンしか達成されておらず、またそれら機関ですら、内部ガス回路内における作動流体は、ロッド封止における作動流体漏れを完全に解消することができないため、繰り返し補充しなければならない。 Such a seal has only been achieved for a very limited number of Stirling machines, and even for those engines, the working fluid in the internal gas circuit can completely eliminate the working fluid leak in the rod seal Because it can not be done, it must be replenished repeatedly.
さらに、自由ピストンマシンにおいては従来型の駆動機構は存在せず、またピストンは、マシンの内部ガス回路内で生ずるガス力及び機械的ばねを利用して往復駆動される。冷ピストンの往復振動は、銅コイルによって包囲されたレアアース磁石をピストンに取り付けることによって電力に変換することができる(すなわち、リニア発電装置)。このようなマシンは、大きなクランクケースを有しておらず、またエンジンは、リニア交流発電機をエンジンケーシング内に配置することによって、完全に封止される。その固有重量及び寸法は、従来型運動学的マシンのそれらよりもかなり改善されているが、今までのところ電力出力は約3〜10kW(キロワット)に制限されており、これは、従来型運動学的エンジンの出力よりも相当低い。ピストン往復振動数は2000〜4000RPM(回転数/分)シャフト回転速度に対応する。 Furthermore, in a free piston machine there is no conventional drive mechanism, and the piston is reciprocated using gas forces and mechanical springs that occur in the internal gas circuit of the machine. The reciprocating vibration of the cold piston can be converted to electrical power by attaching a rare earth magnet surrounded by a copper coil to the piston (ie, a linear generator). Such machines do not have a large crankcase and the engine is completely sealed by placing a linear alternator in the engine casing. Although their inherent weight and size have been improved significantly over those of conventional kinematic machines, so far the power output has been limited to about 3 to 10 kW (kilowatts), which corresponds to that of conventional movements Considerably lower than the output of the scientific engine. The piston reciprocating frequency corresponds to a shaft rotational speed of 2000 to 4000 RPM (revolutions per minute).
往復ピストンマシンにおける問題の解決法は、回転式マシンにあると考えられる。したがって、回転式スターリング機関/マシンの開発に多大な労力が注がれた。 The solution to the problem in reciprocating piston machines is believed to be in rotary machines. Therefore, much effort was put into development of the rotary Stirling engine / machine.
例えば、特許文献1(米国特許出願公開第13/795、632号)には、同一シャフトに取り付け、また断熱バリアによって互いに分離した「熱(ホット)」及び「冷(コールド)」ジロータのセットを用いるスターリングサイクル機関について記載している。そのバリアは、ガスが流れることができる、したがって、「熱(ホット)」及び「冷(コールド)」ジロータのセットにおける変位チャンバを接続する再生ガス通路を提供する。ジロータ式スターリングサイクル機関は、電気又は機械的動力を発生するのに使用することができる。 For example, US Patent Application Publication No. 13/795, 632 discloses a set of "hot" and "cold" gerotors attached to the same shaft and separated from each other by a thermal barrier. Describes the Stirling cycle engine used. The barrier allows gas flow and thus provides a regeneration gas path connecting displacement chambers in a set of "hot" and "cold" gerotors. Gerotor type Stirling cycle engines can be used to generate electrical or mechanical power.
特許文献2(米国特許出願公開第05/790,904号)は、回転機構を有するスターリングサイクル・マシンの他の実施例について記載している。この特別な設計において、回転ベーン式エキスパンダ及び回転ベーン式コンプレッサを同一シャフトに取り付け、これにおいて、各ベーンユニットは4つの作動容積部を形成する。エキスパンダ及びコンプレッサの対応する作動容積部は、エキスパンダのケーシング内及びシャフト内に設けた熱交換器のセットを介して接続する。 U.S. Patent Application Publication No. 05 / 790,904 describes another embodiment of a Stirling cycle machine having a rotating mechanism. In this particular design, a rotary vane expander and a rotary vane compressor are mounted on the same shaft, where each vane unit defines four working volumes. The expander and the corresponding working volume of the compressor are connected via a set of heat exchangers provided in the expander casing and in the shaft.
これら従来技術のすべての実施例は、スターリングサイクル・マシンの基本的な同一特徴、すなわち、エキスパンダ及びコンプレッサのユニットにおける対応する作動空間を連続的に接続することによる調和変動又は近似調和変動という特徴がある。したがって、各チャンバを熱交換器のセットにより接続した後、作動ガスは、対応する作動空間相互間で往復運動するよう流動する。しかし、当業者であれば、上述の回転機構は極めて複雑であり、回転機構自体の欠点が付随する。 All these prior art embodiments have the same basic features of the Stirling cycle machine, that is to say the characteristic of harmonic fluctuations or approximate harmonic fluctuations by continuously connecting corresponding working spaces in the expander and compressor units. There is. Thus, after connecting each chamber by a set of heat exchangers, the working gas flows to reciprocate between corresponding working spaces. However, those skilled in the art will find that the above-mentioned rotation mechanism is very complicated and has the disadvantages of the rotation mechanism itself.
したがって、2軸スクリュー又はスクロール機構のような回転機構はスターリングサイクル・マシンでの使用が考慮された。2軸スクリュー機構は、とくに、コンプレッサに対する極めて一般的な選択肢であった。図3(a)〜(d)は、例えば、2軸スクリュー式コンプレッサ30の全周期を示す。動作中(すなわち、2軸スクリューシャフトの回転中)、2つの互いに噛合して対向回転する雄形ロータ及び雌形ロータが、両者間の対応ローブ及び包囲ケーシング34内に作動流体32(例えば、ガス)を捕捉する。互いに噛合する雄形及び雌形のローブによって軸線方向前方に押しやられ、これにより互いに噛合する雄形及び雌形のローブによって生ずるチャンバの容積部は徐々に減少し、捕捉したガスを圧縮させる。
Thus, rotating mechanisms such as twin screw or scroll mechanisms have been considered for use in Stirling cycle machines. The twin screw mechanism, in particular, has been a very common option for compressors. FIGS. 3A to 3D show, for example, the entire cycle of the twin screw compressor 30. FIG. During operation (i.e., during rotation of the twin screw shaft), the two intermeshing, counter-rotating male and female rotors rotate within the corresponding lobes and surrounding
図3に示すように、(a) ガス32は吸気ポート36から取り込まれ、(b) 次にガス32は捕捉されて軸線方向の移動し、(c) このガスは、互いに噛合するローブによって生ずる減少していくチャンバ容積部により圧縮され、(d) ガス32は排気ポート38から排出される。
As shown in FIG. 3, (a) the
図4(a)〜(d)は、作動流体を圧縮又は膨張させるのに使用できる交互回転機構を示し、とくに、図4は、一方が他方に対して180゜にわたり回転する2つの入れ子式同一スクロール42、44を備えるスクロールコンプレッサ40を示す。古典的設計において、双方のスクロール42、44は円形インボリュート曲線であり、一方のスクロール42又はスパイラルは回転可能のであり、また整合する固定スクロール44によって画定される経路において周回する。固定スクロール44はコンプレッサ本体に固着することができ、周回するスクロール42はクランクシャフトに結合することができ、これにより周回運動は、2つのスクロール42、44間で移動する一連のガスポケットを生ずる。形成されたポケットはガスを引き込み、ガスをスクロール42、44の外側部分から中心部分に移動し、この中心部分でガスを排出する。ガスが中心に向かって移動するにつれて、ポケット容積部は減少し、またその温度及び圧力は所望排出圧力まで増加する。スクロール機構及び2軸スクリュー機構の双方とも、反転モードで動作することもでき、すなわち、単に回転方向を逆転することによってエキスパンダとして動作することができる。
FIGS. 4 (a)-(d) show alternating rotation mechanisms that can be used to compress or expand the working fluid, and in particular, FIG. 4 shows two nested identical ones rotating 180 ° with respect to the other A scroll compressor 40 comprising
ガスの圧縮又は膨張用に使用される回転機構の他の例は、図5に示すような円錐スクリュー回転コンプレッサ50(例えば、ヴァート・ローターズ社製造)である。この機構は回転内部ロータ52及び回転外部ロータ54よりなる。内部及び外部のロータ52、54は同期機構を介して電動モータにより駆動される。内部及び外部のロータ52、54双方の回転運動により、ガスを変位及び圧縮するようガスを回転軸線に沿って移動させる。動作中、低圧ガスが大径側面56における入口に供給され、この後、より高圧になるよう圧縮され、小径側面58における出口から排出される。この回転機構50はエキスパンダとして使用するよう逆転することもできる。図5において、円錐スクリュー回転コンプレッサの2つの異なるジオメトリ、すなわち、(a) 2+3プロファイル(輪郭)、及び(b) 3+4プロファイル(輪郭)を示す。
Another example of a rotary mechanism used for gas compression or expansion is a conical screw rotary compressor 50 (eg, manufactured by Vert Rotors) as shown in FIG. The mechanism comprises a rotating
しかし、2軸スクリュー式、スクロール式、又は円錐スクリュー式の回転機構によって与えられる周期的体積変化は、図6に示すような線形的又は非線形的な鋸歯状関数に追従し、この図6は、膨張中(正傾斜部)及び圧縮中(負傾斜部)における作動流体の体積変化の例を示す。ここで、ゆるい傾斜は、一次関数(すなわち、真直ぐなライン)によって定義されるが、非線形関数(例えば、調和関数又は非調和関数の一部分)によって記述することもできる。 However, the periodic volume change provided by the twin screw, scroll, or conical screw type rotation mechanism follows a linear or non-linear sawtooth function as shown in FIG. The example of the volume change of the working fluid in expansion (positive slope part) and during compression (negative slope part) is shown. Here, the loose slope is defined by a linear function (i.e. a straight line) but can also be described by a non-linear function (e.g. a harmonic function or part of an anharmonic function).
これら回転マシンによって与えられる作動流体体積変動の鋸歯状特性は、スターリングサイクルに使用するには不向きなしかし、2軸スクリュー式、スクロール式、又は円錐スクリュー式の機構によって形成されてきた。 The sawtooth nature of the working fluid volume variations provided by these rotary machines has been formed by mechanisms not suitable for use in the Stirling cycle, however, a twin screw, scroll or conical screw mechanism.
2軸スクリュー式又はスクロール式のいずれかの機構を利用する現在利用可能な熱力学的装置は、それぞれ一方向のみの作動流体軸フローを必要とするランキンサイクル又はジュール/ブライトン・サイクルで供給される。例えば、特許文献3又は4(独国特許第10123078号又はオーストリア国特許第412663号)は、2軸スクリュー式エキスパンダを利用する熱力学的サイクルについて記載している。 Currently available thermodynamic devices utilizing either twin screw or scroll mechanisms are supplied with a Rankine Cycle or Joule / Brighton Cycle, each requiring only one working fluid axial flow . For example, Patent documents 3 or 4 (DE 101 23 078 or Austrian patent 412 663) describe a thermodynamic cycle utilizing a twin screw expander.
とくに、特許文献3(独国特許第10123078号)は、閉熱力学的サイクルで動作し、2軸スクリュー機構によって高圧ガスが供給され、また膨張させられるマシンについて記載している。ガス膨張で生ずる仕事は、回転する2軸スクリューのシャフトにより有用な機械的仕事に変換されてから、作動流体が再加熱(又は再加圧)されて、サイクルを繰り返す2軸スクリュー機構に戻される。 In particular, DE 101 23 078 A1 describes a machine which operates in a closed thermodynamic cycle and is supplied with high pressure gas by means of a twin screw mechanism and is also expanded. The work resulting from the gas expansion is converted to useful mechanical work by the rotating twin screw shaft, and then the working fluid is reheated (or repressurized) back to the twin screw mechanism that repeats the cycle. .
回転式熱力学的エンジンの他の例(スクロール機構を利用する)は、ユンミン・キム氏、ドンキル・シン氏、ヤンヒー・リー氏、及びクウェン・パーク氏による非特許文献1(a publication by Youngmin Kim, Dongkil Shin, Janghee Lee and Kwenha Park (“Noble Stirling engine employing scroll mechanism”, Proceedings of the 11th International Stirling Engine Conference, 19-21 September 2004, pp. 67-75)に記載されているが、ガスフローは一方向で循環し、往復運動では循環しないため、いわゆるスターリング機関は、実際には閉じたジュール/ブライトン・サイクルで動作することを、簡単な解析が明らかにしている。 Other examples of rotary thermodynamic engines (using the scroll mechanism) can be found in Non-Patent Document 1 (a publication by Youngmin Kim) by Yunmin Kim, Donkil Shin, Yanhi Lee, and Kwen Park. Gas flow is described in Dongkil Shin, Janghee Lee and Kwenha Park ("Noble Stirling engine employing scroll mechanism", Proceedings of the International Stirling Engine Conference, 19-21 September 2004, pp. 67-75). A simple analysis reveals that so-called Stirling engines actually operate in a closed Joule / Brighton cycle, as they circulate in one direction and not in reciprocating motion.
したがって、本発明の目的は、与えられる作動流体体積変化が線形的又は非線形的な鋸歯状波形に基づく場合であっても、回転エキスパンダ及び回転コンプレッサの機構、例えば、2軸スクリュー式、スクロール式、又は円錐スクリュー式の機構を利用することができるスターリングサイクル装置を提供することにある。さらに、本発明の特別な目的は、現在利用可能なスターリングサイクル冷却器よりも小さくすることができ、また改善した効率を有する回転式スターリングサイクル冷却器を得るにある。 Thus, the object of the present invention is to provide a mechanism of rotary expanders and rotary compressors, eg twin screw, scroll, even if the applied working fluid volume change is based on a linear or non-linear sawtooth waveform. It is an object of the present invention to provide a Stirling cycle device which can utilize a conical screw mechanism. Furthermore, a particular object of the present invention is to obtain a rotary Stirling cycle cooler which can be smaller than currently available Stirling cycle coolers and which has an improved efficiency.
本発明の好適な実施形態は、従来技術の上述した欠点のうち1つ又はそれ以上を克服することを目指す。 Preferred embodiments of the present invention aim to overcome one or more of the above mentioned disadvantages of the prior art.
本発明の第1実施形態によれば、スターリングサイクル装置を提供し、このスターリングサイクル装置は、
密封可能なハウジングと、
第1回転変位ユニットが第2回転変位ユニットと流体連通し、各ユニットは前記ハウジング内に別個の流体密部分内で各ユニットを操作可能に備え付け、使用中作動流体の少なくとも1つの熱力学的状態パラメータの周期的変化を生じ得るようにした、該第1及び第2の回転変位ユニットであって、前記第1及び第2の回転変位ユニットそれぞれは、
コンプレッサ機構であって、前記作動流体の第1部分を受け容れ得る第1コンプレッサ作動チャンバ、及び前記作動流体の第2部分を受け容れ得る少なくとも第2コンプレッサ作動チャンバを有し、前記第1コンプレッサ作動チャンバは第1出口ポートを有し、また前記第2コンプレッサ作動チャンバは第2出口ポートを有する、該コンプレッサ機構、
エキスパンダ機構であって、前記作動流体の前記第1部分を受け容れ得る第1エキスパンダ作動チャンバ、及び前記作動流体の前記第2部分を受け容れ得る少なくとも第2エキスパンダ作動チャンバを有し、前記第1エキスパンダ作動チャンバは第1入口ポートを有し、また前記第2エキスパンダ作動チャンバは第2入口ポートを有する、該エキスパンダ機構、
前記第1エキスパンダ機構を前記第1コンプレッサ機構に対して操作可能かつ動作可能に連結し得る駆動連結アセンブリであって、
前記第1コンプレッサ作動チャンバと前記第1エキスパンダ作動チャンバとの間、及び前記第2コンプレッサ作動チャンバと前記第2エキスパンダ作動チャンバとの間において、前記第1及び第2の回転変位ユニットの回転角度の所定インターバルで所定シーケンスの周期的流体交換を生じ得る回転バルブ機構を有する、該駆動連結アセンブリ、
を含む、該第1及び第2の回転変位ユニットと、
前記第1及び第2の回転変位ユニットに操作可能に連結したアクチュエータであって、前記第1回転変位ユニットの回転運動を前記第2の回転変位ユニットに同期するようリンクさせ、これにより、使用中に、前記作動流体の少なくとも1つの熱力学的状態パラメータの前記第1所定周期変化が、前記作動流体の少なくとも1つの熱力学的状態パラメータの前記第2所定周期変化に対して所定位相角だけオフセットし得るようにした、該アクチュエータと、
を備える。
According to a first embodiment of the present invention, a Stirling cycle device is provided, which comprises:
A sealable housing,
A first rotational displacement unit is in fluid communication with a second rotational displacement unit, each unit operably mounting each unit in a separate fluid tight portion in the housing, at least one thermodynamic state of the working fluid during use The first and second rotational displacement units adapted to generate a periodic change of a parameter, each of the first and second rotational displacement units being
A compressor mechanism, comprising: a first compressor working chamber capable of receiving a first portion of the working fluid; and at least a second compressor working chamber capable of receiving a second portion of the working fluid, the first compressor working The compressor mechanism having a first outlet port and the second compressor operating chamber having a second outlet port;
An expander mechanism, comprising: a first expander actuation chamber capable of receiving the first portion of the working fluid; and at least a second expander actuation chamber capable of receiving the second portion of the working fluid; The expander mechanism, wherein the first expander working chamber has a first inlet port, and the second expander working chamber has a second inlet port.
A drive coupling assembly operable to operatively couple the first expander mechanism to the first compressor mechanism,
The rotation of the first and second rotational displacement units between the first compressor working chamber and the first expander working chamber, and between the second compressor working chamber and the second expander working chamber The drive coupling assembly having a rotary valve mechanism capable of causing a predetermined sequence of periodic fluid exchange at predetermined intervals of an angle,
The first and second rotational displacement units, including
An actuator operatively coupled to the first and second rotational displacement units, wherein the rotational movement of the first rotational displacement unit is linked to synchronize with the second rotational displacement unit, thereby using Wherein the first predetermined period change of the at least one thermodynamic state parameter of the working fluid is offset by a predetermined phase angle with respect to the second predetermined period change of the at least one thermodynamic state parameter of the working fluid The actuator, which can be
Equipped with
本発明装置は、2つの回転変位ユニットの対応する回転式のコンプレッサ機構及びエキスパンダ機構における少なくとも1つの熱力学的状態パラメータの線形的又は非線形的な「鋸歯状」周期的変化を、従来型スターリングサイクル・マシン(例えば、ピストン運動)に典型的な周期的調和関数に近似して追従する作動空間容積の全体変動を生ずるように対を成しかつ組み合わせることができる利点をもたらし、これにより構造がより簡単であり、また、とくに、小型化した形態にするとき向上した効率及び性能を有する正真正銘の回転式スターリングサイクル装置を提供する。本発明は、機械的仕事を行うよう動作することができるが、冷却器又はヒートポンプとして可逆的にも動作することができる。 The device according to the invention is a conventional sterling of linear or non-linear "sawtooth" periodic variations of at least one thermodynamic state parameter in the corresponding rotary compressor and expander mechanisms of two rotary displacement units. It offers the advantage of being able to be paired and combined to produce an overall variation of the working space volume that closely follows the periodic harmonic function typical of a cycle machine (e.g. piston movement). It provides a true rotary Stirling cycle device that is simpler and, in particular, has improved efficiency and performance when in compact form. The invention can operate to perform mechanical work, but can also operate reversibly as a cooler or heat pump.
有利には、前記第1駆動連結アセンブリは、さらに、少なくとも1個の第1駆動シャフトと、内壁を有して、前記少なくとも1個の第1駆動シャフトを操作可能に包囲するよう構成された少なくとも1個の第1シャフトケーシングとを有することができる。 Advantageously, the first drive connection assembly further comprises at least one first drive shaft and an inner wall, at least one further configured to operably surround the at least one first drive shaft. It can have one first shaft casing.
有利には、前記少なくとも1個の第1シャフトケーシングは、前記内壁の第1周方向セグメントにわたり延在して、それぞれに対応の所定第1軸方向位置に設けられ、軸線方向に互いに離間しかつ周方向に部分的に延在する複数の第1流体チャンネルと、及び前記内壁の第2周方向セグメントにわたり延在して、それぞれに対応の所定第2軸方向位置に設けられ、軸線方向に互いに離間しかつ周方向に部分的に延在する複数の第2流体チャンネルと、を有することができ、また、前記第1周方向セグメントは前記第2周方向セグメントとは半径方向反対側に設けられるものであり、また前記第1軸方向位置それぞれは前記第2軸方向位置のそれぞれとは軸線方向にオフセットされるものとする。 Advantageously, the at least one first shaft casing extends over the first circumferential segment of the inner wall and is respectively provided at a corresponding predetermined first axial position, axially spaced from one another and A plurality of first fluid channels extending partially in the circumferential direction and a second circumferential segment of the inner wall are provided at corresponding second predetermined axial positions, respectively, axially relative to one another. And a plurality of second fluid channels spaced apart and partially extending in the circumferential direction, and the first circumferential segment is provided radially opposite to the second circumferential segment In addition, each of the first axial positions is axially offset from each of the second axial positions.
好適には、前記軸線方向に互いに離間しかつ周方向に部分的に延在する第1流体チャンネル、及び第2流体チャンネルは、180゜の角度より大きい角度にわたり存在することができる。 Preferably, the first fluid channel and the second fluid channel spaced apart from each other in the axial direction and partially extending in the circumferential direction can exist over an angle larger than 180 °.
有利には、前記少なくとも1個の駆動シャフトは、前記第1出口ポートに流体接続される第1開口を有する第1導管及び前記第1入口ポートに流体接続される第1開口を有する第2導管よりなる2つの互いに対応する導管の第1セットを備えることができ、前記互いに対応する前記第1及び第2の導管それぞれは、所定の第1半径方向角度で前記駆動シャフトから半径方向に抜け出るよう互いに軸線方向に隣接して接続した2つの第2開口を有し、前記互いに軸線方向に隣接して接続した2つの第2開口のうち一方の開口は、前記複数の第1流体チャンネルのうち1つと流体的に係合し得るものであり、また前記互いに軸線方向に隣接して接続した2つの第2開口のうち他方の開口は、前記複数の第2流体チャンネルのうち1つと流体的に係合し得るものとすることができる。 Advantageously, the at least one drive shaft has a first conduit having a first opening fluidly connected to the first outlet port and a second conduit having a first opening fluidly connected to the first inlet port. A first set of two mutually corresponding conduits may be provided, each of the mutually corresponding first and second conduits radially exiting the drive shaft at a predetermined first radial angle. One of the two second openings axially adjacently connected to each other and having two second openings axially connected to each other is one of the plurality of first fluid channels. And the other of the two second openings axially adjacently connected to each other is in fluid communication with one of the plurality of second fluid channels. It can be assumed to be.
より有利には、前記少なくとも1個の駆動シャフトは、前記第2出口ポートに流体接続される第1開口を有する第1導管及び前記第2入口ポートに流体接続される第1開口を有する第2導管よりなる2つの互いに対応する導管の少なくとも第2セットを備え、前記互いに対応する前記第1及び第2の導管それぞれは、所定の第1半径方向角度で前記駆動シャフトから半径方向に抜け出るよう互いに軸線方向に隣接して接続した2つの第2開口を有し、前記互いに軸線方向に隣接して接続した2つの第2開口のうち一方の開口は、前記複数の第1流体チャンネルのうち1つと流体的に係合し得るものであり、また前記互いに軸線方向に隣接して接続した2つの第2開口のうち他方の開口は、前記複数の第2流体チャンネルのうち1つと流体的に係合し得るものとすることができる。 More preferably, the at least one drive shaft has a first conduit having a first opening fluidly connected to the second outlet port and a second opening having a first opening fluidically connected to the second inlet port. The conduit comprises at least a second set of two mutually corresponding conduits, each of the corresponding ones of the first and second conduits being each other being radially spaced from the drive shaft at a predetermined first radial angle. One of the two second openings axially adjacently connected and having two second openings connected adjacent to each other in the axial direction is one of the first fluid channels and one of the plurality of first fluid channels. The other of the two second openings which are fluidly engageable and axially adjacent to each other are in fluid communication with one of the plurality of second fluid channels. It can be assumed to be engaged.
より有利には、前記複数の第1流体チャンネルのそれぞれは、前記複数の第2流体チャンネルのうち対応する1つと流体接続し、使用中に、前記第1コンプレッサ作動チャンバと前記第1エキスパンダ作動チャンバとの間、及び前記第2コンプレッサ作動チャンバと前記第2エキスパンダ作動チャンバとの間における熱交換を所定シーケンスで行うことを可能にすることができる。 More preferably, each of said plurality of first fluid channels is in fluid communication with a corresponding one of said plurality of second fluid channels, and, in use, said first compressor actuation chamber and said first expander actuation Heat exchange with the chamber and between the second compressor operating chamber and the second expander operating chamber can be enabled in a predetermined sequence.
有利には、前記第1回転変位ユニット内で流体接続された前記第1コンプレッサ作動チャンバ及び前記第1エキスパンダ作動チャンバ、並びに流体接続された前記第2コンプレッサ作動チャンバ及び第2エキスパンダ作動チャンバのそれぞれのために、第1作動空間及び第2作動空間が形成されるようにすることができる。 Advantageously, the first compressor working chamber and the first expander working chamber fluidly connected in the first rotational displacement unit, and the second compressor working chamber and the second expander working chamber fluidly connected. For each, a first working space and a second working space may be formed.
有利には、前記第2回転変位ユニット内で流体接続された前記第1コンプレッサ作動チャンバ及び前記第1エキスパンダ作動チャンバ、並びに流体接続された前記第2コンプレッサ作動チャンバ及び第2エキスパンダ作動チャンバのそれぞれのために、第1作動空間及び第2作動空間が形成されるようにすることができる。 Advantageously, the first compressor working chamber and the first expander working chamber fluidly connected in the second rotational displacement unit, and the second compressor working chamber and the second expander working chamber fluidly connected. For each, a first working space and a second working space may be formed.
有利には、前記第1回転変位ユニットの前記第1作動空間及び第2作動空間それぞれは、前記第2回転変位ユニットの前記第1作動空間及び第2作動空間の対応する作動空間に流体連通することができる。 Advantageously, the first working space and the second working space of the first rotary displacement unit are respectively in fluid communication with the corresponding working spaces of the first working space and the second working space of the second rotary displacement unit. be able to.
好適には、前記第1回転変位ユニットの前記対応して流体接続した前記第1流体チャンネル及び前記第2流体チャンネルそれぞれは、前記第2回転変位ユニットの前記対応して流体接続した前記第1流体チャンネル及び前記第2流体チャンネルそれぞれに対応する1つの流体チャンネルに流体連通することができる。 Preferably, each of the correspondingly fluidly connected first fluid channel and the second fluid channel of the first rotational displacement unit is associated with the correspondingly fluidically connected first fluid of the second rotational displacement unit. A fluid communication can be made with one fluid channel corresponding to the channel and the second fluid channel respectively.
有利には、前記第1回転変位ユニットの前記対応して流体接続した前記第1流体チャンネル及び前記第2流体チャンネルそれぞれと、前記第2回転変位ユニットの前記対応して流体接続した前記第1流体チャンネル及び前記第2流体チャンネルそれぞれとの間における流体連通は、第1熱交換器、再生器、及び第2熱交換器のうち任意な1つ又はそれらの任意な直列的組合せを有することができる。 Advantageously, the correspondingly fluidly connected first fluid channel of the second rotary displacement unit and the correspondingly fluidically connected first and second fluid channels of the first rotary displacement unit respectively The fluid communication between each of the channel and the second fluid channel may comprise any one of a first heat exchanger, a regenerator, and a second heat exchanger or any serial combination thereof .
好適には、前記第1熱交換器は前記作動流体に熱を供給し得るものであり、また前記第2熱交換器は前記作動流体から熱を除去し得るものとすることができる。このことにより、装置は異なるモードで動作することができ、例えば、再生器との組合せにおいて、第1及び第2の熱交換器をどこに配置するかに基づいて、冷却器として又はヒートポンプとして動作することができるという利点をもたらす。 Preferably, the first heat exchanger can supply heat to the working fluid, and the second heat exchanger can remove heat from the working fluid. This allows the device to operate in different modes, eg as a cooler or as a heat pump, depending on where the first and second heat exchangers are arranged in combination with the regenerator Bring the benefits of being able to
より好適には、前記再生器は、前記第1熱交換器と前記第2熱交換器との間を流体接続することができる。 More preferably, the regenerator can be fluidly connected between the first heat exchanger and the second heat exchanger.
代案として、前記第1熱交換器は、前記第1回転変位ユニットの一体部分であり、及び/又は前記第2熱交換器は、前記第2回転変位ユニットの一体部分であるものとする。 Alternatively, the first heat exchanger may be an integral part of the first rotational displacement unit, and / or the second heat exchanger may be an integral part of the second rotational displacement unit.
好適には、前記第1回転変位ユニット及び前記第2回転変位ユニットそれぞれは、2軸スクリュー機構を有することができる。 Preferably, each of the first rotational displacement unit and the second rotational displacement unit may have a twin screw mechanism.
代案として、前記第1回転変位ユニット及び前記第2回転変位ユニットそれぞれは、スクロール機構又は回転円錐スクリュー機構を有することができる。 Alternatively, each of the first and second rotational displacement units may have a scroll mechanism or a conical screw mechanism.
他の代替的実施形態において、前記第1回転変位ユニット及び前記第2回転変位ユニットそれぞれは、2軸スクリュー機構、スクロール機構又は回転円錐スクリュー機構のうち任意な1つを有することができる。 In another alternative embodiment, each of the first rotational displacement unit and the second rotational displacement unit may have any one of a twin screw mechanism, a scroll mechanism, or a conical conical screw mechanism.
有利には、前記アクチュエータは、モータと、前記第1及び前記第2の回転変位ユニットを同期駆動し得る変速装置とを有することができる。 Advantageously, the actuator may comprise a motor and a transmission capable of synchronously driving the first and second rotational displacement units.
代案として、前記アクチュエータは、モータと、前記第1及び前記第2の回転変位ユニットのうち任意な1つによって動力を受け得る変速装置とを有することができる。 Alternatively, the actuator may comprise a motor and a transmission which may be powered by any one of the first and second rotational displacement units.
有利には、前記第1回転変位ユニットの前記コンプレッサ機構及びエキスパンダ機構それぞれ、並びに前記第2回転変位ユニットの前記コンプレッサ機構及びエキスパンダ機構それぞれは、前記ハウジングにおける個別かつ密封された部分内に設けることができる。 Advantageously, the compressor mechanism and the expander mechanism of the first rotary displacement unit and the compressor mechanism and the expander mechanism of the second rotary displacement unit are respectively provided in separate and sealed parts of the housing. be able to.
好適には、前記第1回転変位ユニットは圧縮ユニットであり、また前記第2回転変位ユニットは膨張ユニットであるようにすることができる。代案として、装置の用途、すなわち、ヒートポンプ、冷却又は機関(エンジン)としての用途に基づいて、前記第1回転変位ユニットは膨張ユニットであり、また前記第2回転変位ユニットは圧縮ユニットであるようにすることができる。 Preferably, the first rotational displacement unit may be a compression unit, and the second rotational displacement unit may be an expansion unit. Alternatively, the first rotational displacement unit is an expansion unit and the second rotational displacement unit is a compression unit, based on the application of the device, ie the heat pump, the cooling or the application as an engine. can do.
本発明の好適な実施形態を以下に単に例としてであり、限定的な意味ではなく、添付図面につき説明する。 Preferred embodiments of the invention are described below by way of example only and not limitation and with reference to the accompanying drawings.
本発明の例示的実施形態は回転式スターリングサイクル冷却器につき説明する。しかし、概して本発明スターリングサイクル装置はスターリング機関モード(すなわち、機械的仕事出力)又はヒートポンプ(熱出力)でも同様に機能すると理解されたい。 An exemplary embodiment of the invention is described for a rotary Stirling cycle cooler. However, it should be understood that, generally, the inventive Stirling cycle device works equally well in Stirling engine mode (i.e. mechanical work output) or heat pump (heat output).
さらに、互いに噛合する雄形及び雌形のスクリューロータには異なるローブ数比を与えることができる。論理的には、この比は、「1」(すなわち「2/2」)で始まるが、特別な他の(例えば、より大きい)比を使用することもがきる。実際に使用される比の代表的例は、「3/4」、「3/5」、「4/6」、「5/7」、「6/8」等とすることができる。さらに、スクリューローブは対称的又は非対称のプロファイル(輪郭)を有することができる。単に本発明の基本原理を説明する目的のため、例示的実施形態は、「2/2」比(すなわち、この比は「1」に等しい)ローブを有する一層簡単な対称的プロファイル(輪郭)付けしたスクリューロータを備える。さらに、当業者であれば、最適性能は任意な他の(すなわち、より適した)比及び/又はローブプロファイル(非対称又は対称的)を利用してのみ達成できることは理解するであろう。しかし、本発明の基本原理は任意の好適なローブ数比及びローブプロファイルに適用可能である。 In addition, male and female screw rotors that mesh with one another can be provided with different lobe number ratios. Logically, this ratio starts with "1" (i.e. "2/2"), but it is also possible to use special other (e.g. larger) ratios. Typical examples of the ratio actually used may be "3/4", "3/5", "4/6", "5/7", "6/8" and so on. Furthermore, the screw lobes can have a symmetrical or asymmetrical profile. For the purpose of merely illustrating the basic principles of the present invention, the exemplary embodiment provides a simpler symmetric profile (contouring) with a "2/2" ratio (ie, this ratio is equal to "1") lobes. Equipped with a screw rotor. Furthermore, one skilled in the art will appreciate that optimum performance can only be achieved utilizing any other (i.e. more suitable) ratio and / or lobe profile (asymmetric or symmetrical). However, the basic principles of the present invention are applicable to any suitable lobe number ratio and lobe profile.
図7〜11につき説明すると、本発明スターリングサイクル装置の第1実施形態であって、「膨張(expanding)」又は「冷(cold)」ユニット102、及び「圧縮(compression)」又は「暖(warm)」ユニット104を備える。「冷」ユニット102及び「暖」ユニット104のそれぞれは、さらに、コンプレッサ機構106及びエキスパンダ機構108を有する。「冷」ユニット102及び「暖」ユニット104は、熱交換器の4つのセットを介して流体連通し、各セットは、直列的に配列した「冷」熱交換器110、再生器112、及び「暖」熱交換器114を含む。「冷」ユニット102及び「暖」ユニット104のそれぞれは、2軸スクリュー機構116、118を有し、これら2軸スクリュー機構116、118は、図8及び9に示す2軸スクリューロータ120、122よりなる。2軸スクリュー機構116、118それぞれは、圧縮パート124、128及び膨張パート126、130を有する。雄形ロータ120及び雌形ロータ122のそれぞれにおける対応する圧縮パート124、128及び膨張パート126、130は、単一駆動シャフト132、134によって結合し、この結合は、膨張パート126、130が圧縮パート124、128と同一の鏡対称となるように行う。
Referring to FIGS. 7-11, a first embodiment of the Stirling cycle apparatus of the present invention, which is an "expanding" or "cold"
さらに、2つの圧縮パート124、128及び2つの膨張パート126、130のそれぞれは、それら自体が密封されたエンクロージャ136内に配置される(図11参照)。
Furthermore, each of the two
モータ(図示せず)及び変速装置(図示せず)はそれぞれ対応の2軸スクリュー機構116、118に動作可能に連結し、この場合、変速装置(例えば、ボックス138内における駆動連結アセンブリとして備え付けた噛合ギア)を用いて、雄形ロータ120及び雌形ロータ122が同期されるようにする。ボックス138は、さらに、変速装置を介して2軸スクリュー機構を駆動し得るアクチュエータ(すなわち、効率的かつ制御可能な電動モータ)を有する。代案として、変速装置(すなわち、軸受、ギア機構)は、ハウジングの異なる部分、例えば、2軸スクリュー機構116、118のシャフト132、134を包囲するケーシング140内に配置することもできる。
A motor (not shown) and a transmission (not shown) are each operatively coupled to a corresponding
次に、図10、12、13及び14につき説明すると、対応する導管144、146、148、150のセットを雄形ロータ120のシャフト132内に設ける。圧縮パート124高圧側端部及び膨張パート126の低圧側端部において、半径方向に配置した流体ポート152は、雄形スクリューロータ120の互いに隣接する2つのローブ間に設け、また図12及び13に詳細に示すように、導管144、146、148、150(軸方向内部円筒状チャンネルである)のセットにおける対応する導管に流体接続する。流体導管144、146、148、150のそれぞれは、第1出口154及び第2出口156を有し、流体導管144、146、148、150それぞれにおける第1及び第2の出口は、互いに隣接配置される。
Referring now to FIGS. 10, 12, 13 and 14, a set of corresponding
次に、図15、16及び17につき説明すると、180゜より大きい中心角にわたる大扇状形状で周方向に部分的に延在する流体チャンネル158(すなわち、溝孔)の第1セットを、雄形ロータ120のシャフト132を包囲するケーシングの第1部分でそれぞれに対応する所定軸方向位置に形成する(図15参照)。180゜より大きい中心角にわたる大扇状形状で周方向に部分的に延在する流体チャンネル160(すなわち、溝孔)の第2セットを、雄形ロータ120のシャフト132を包囲するケーシングの第2部分でそれぞれに対応する所定軸方向位置に形成し(図15参照)、ケーシングの第1部分は、ケーシングの第2部分に対して半径方向に対向させる(図15参照)。さらに、周方向に部分的に延在する流体チャンネル158の第1セットのそれぞれは、周方向に部分的に延在する流体チャンネル160の第2セットのそれぞれから軸線方向にオフセットする。
Referring now to FIGS. 15, 16 and 17, the first set of fluid channels 158 (i.e., slots) circumferentially extending partially in a large fan-like shape over a central angle greater than 180.degree. The first portion of the casing surrounding the
図17に示すように、第1出口154それぞれは、周方向に部分的に延在する流体チャンネル158の第1セットのそれぞれにのみ流体接続できるよう配列し、また第2出口156それぞれは、周方向に部分的に延在する流体チャンネル160の第2セットのそれぞれにのみ流体接続できるよう配列する。
As shown in FIG. 17, each
図16に示すように、すべての流体チャンネル158、160は「O」型のシールリング161によって分離し、これらシールリング161はケーシングのシャフト132を包囲する部分内に配置する。さらに、ロータ相互間又はロータとケーシングとの間におけるギャップでの潜在的ガス漏洩を減少するため、適当なシール構成を適用することができる。例えば、ローブの隆起部に沿って延びる溝にシール細条を設けることができ、又はいかなるギャップをも塞ぐテフロン及び他の適当な封止材料をシール細条として使用することができる。さらに、雄形及び雌形のロータ、ケーシング又は熱交換器を製造するのに使用される材料(例えば、非金属材料)は、スターリングサイクルに使用される温度に基づいて異なるようにすることができる。
As shown in FIG. 16, all
図18(a)及び(b)につき説明すると、「冷」ユニット102及び「暖」ユニット104のそれぞれにおいて、流体チャンネル158の第1セットそれぞれは、流体接続部162(例えば、パイプ)を介して流体チャンネルの第2セットの対応する部分に流体接続する。「冷」ユニットにおける流体接続部162のそれぞれは、パイプ164を介して「暖」ユニットの対応する流体接続部162に流体接続する。上述したように、一連の「冷」熱交換器110、再生器112及び「暖」熱交換器114は、各パイプ164の流体経路に流体接続する。
Referring to FIGS. 18 (a) and 18 (b), in each of the “cold”
図19〜24につき説明すると、本発明装置100の動作中(すなわち、冷却モード)、2つの2軸スクリュー機構116、118それぞれの駆動シャフト132、134は、モータ及び変速装置(図示せず)を介して同期回転する。対応する雄形及び雌形のロータ120、122のローブは噛み合って、「冷」ユニット102及び「暖」ユニット104それぞれのための、2つの圧縮チャンバ及び2つの膨張チャンバを形成する(すなわち、2ローブスクリューロータが2つの個別チャンバを形成する)。
Referring to FIGS. 19-24, during operation of the inventive device 100 (i.e., in the cooling mode), the
「冷」ユニット102における、圧縮パート128のチャンバのうち1つ(すなわち、チャンバ1)及び膨張パート130のチャンバのうち1つ(すなわち、チャンバ1)における容積変動を図20に示す。圧縮容積変動166は膨張容積変動168と同一であるが、この容積変動は、「冷」ユニット102の2軸スクリュー機構118の互いに対向する端部に配置される2軸スクリューロータの鏡対称対によって形成されるため、容積変化168は容積変化166とは逆位相である(図20参照)。
The volume variation in one of the chambers of the compression part 128 (ie, chamber 1) and one of the chambers of the expansion part 130 (ie, chamber 1) in the “cold”
以下は本発明装置100で生ずる個別のプロセスの説明である。「冷」ユニット102の2軸スクリュー機構118における圧縮パート128及び膨張パート130のチャンバ1に捕捉された作動流体(すなわち、ガス)の往復運動的圧縮及び膨張中に第1作動空間170が形成され、また「冷」ユニット102の2軸スクリュー機構118における圧縮パート128及び膨張パート130のチャンバ2に捕捉された作動流体(すなわち、ガス)の往復運動的圧縮及び膨張中に第2作動空間172が形成される。これと同等の第1及び第2の作動空間(図示せず)が「暖」ユニット104の2軸スクリュー機構116によって形成される。
The following is a description of the individual processes that occur in the
プロセスの説明を簡明にするため、「冷」ユニット102のチャンバ1は、冷却マシンにおけるこの実施形態のための代表例として考慮する。サイクル全体(2軸スクリューロータ116、118の360゜回転)を3つの特徴的位相に分割することができる。
In order to simplify the description of the process, the
位相1
持続期間はシャフト132、134の0゜回転から互いにオフセットする周方向に部分的に延在する流体チャンネル158、160のオーバーラップ部分の開始までである。ここで、流体チャンネル158の第1セットそれぞれは、対応する第1出口154に整列した状態に留まる。流体チャンネル158の第1セットは、対応する流体チャンネル160の第2セットに対して外部流体接続部162により流体接続される(図18参照)。さらに、第2流体チャンネル160はそれぞれの第2出口156からは整列しない(図12及び19参照)。基本的に、上述の対となる流体チャンネル158、160並びにこれに対応する軸方向にオフセットした第1及び第2の出口154、156は回転バルブ機構として機能し、この回転バルブ機構は、チャンバ1の膨張パート130及び圧縮パート128を適時的に分離及び接続し得る。したがって、第1位相中、「冷」ユニット102における膨張パート130のチャンバ1に位置するガスは、完全膨張のほぼ半分まで膨張され続け、また「冷」ユニット102における圧縮パート128のチャンバ1に位置するガスは、完全圧縮のほぼ半分まで圧縮され続ける。
The duration is from 0 ° rotation of the
位相2
持続期間は、互いにオフセットする周方向に部分的に延在する流体チャンネル158、160のオーバーラップの開始時から、オーバーラップの終了時までである。サイクルの中間近傍で、圧縮パート128におけるチャンバ1の容積と膨張パート130におけるチャンバ1の容積との間で流体接続が生ずる。この位相の持続期間は、流体チャンネル158、160における2つの軸方向にオフセットしかつ周方向に部分的に延在する第1及び第2のセット間の所定オーバーラップによって予め決定される。正確なオーバーラップは、圧縮パート128及び膨張パート130におけるチャンバ1の容積間のガス交換を「円滑化する」、すなわち、圧縮パート128と膨張パート130との間における圧力衝撃を最小化する又は回避すらするのを最適にする。
Phase 2
The duration is from the start of the overlap of circumferentially extending
位相3
持続期間は、オーバーラップの終了時からサイクルの全360゜までである。この位相中、流体チャンネル160の各第2セットは対応する第2出口156に整列した状態に留まる。位相1の説明で述べたように、流体チャンネル158の第1セットそれぞれは、対応する流体チャンネル160の第2セットそれぞれに対して外部流体接続部162により流体接続される(図18及び19参照)。第1流体チャンネル158は対応する第1出口154からは整列しない。したがって、「冷」ユニット102における膨張パート130のチャンバ1に位置するガスは、完全膨張のほぼ半分まで膨張され続け、また「冷」ユニット102における圧縮パート128のチャンバ1に位置するガスは、完全圧縮のほぼ半分まで圧縮され続ける。
Phase 3
The duration is from the end of the overlap to the full 360 ° of the cycle. During this phase, each second set of
上述したように、オーバーラップ期間が完了した後、サイクルの第1ハーフ中に圧縮パート128内で圧縮され続けるガス体積は、サイクルの第2ハーフ中に膨張パート130内で膨張することになる。同時に、膨張パート130内で膨張し続けるガス体積は、サイクルの第2ハーフ中に圧縮パート128内で圧縮プロセスを受けることになる。したがって、2つの形成される作動空間170及び172における容積変動の大きさはほぼ同一である(図21参照)。さらに(上述したように)、2軸スクリュー機構116、118のロータ120、122は2つのローブを有していることから、第1及び第2の各流体チャンネルを他の導管セット(例えば、第1対応導管セット144、146、第2対応導管セット148、150)の対応する第1及び第2の出口に組み合わせることによって、2つの同等な作動空間が、膨張パート130及び圧縮パート128のチャンバ2に対して形成される。この結果、2ローブ2軸スクリュー機構116、118に対して、「冷」ユニット102に形成される全体として4つの作動空間、及び「暖」ユニット104に形成される全体として整合する4つの作動空間がある。
As mentioned above, after the overlap period is complete, the gas volume that continues to be compressed in the
図19は、「冷」ユニット102及び「暖」ユニット104、並びに2つの作動空間間における対応する流体接続部(一連の熱交換器110、114及び再生器112を介する)の簡略化した概略図を示す。
FIG. 19 is a simplified schematic of the “cold”
さらに、「暖」ユニット104の各作動空間における容積変動は、「冷」ユニット102における対応して対を成す作動空間の容積変動に「追従」するが、90゜〜120゜のシャフト角度(位相角度)遅延を伴う。本発明のこの特別な実施形態において、「暖」ユニット104の各作動空間の容積変動は、「冷」ユニット102における対応して対を成す作動空間の容積変動に対して90゜の遅延を有して「追従」する。しかし、当業者であれば、他の位相角度遅延を、「冷」ユニット102と「暖」ユニット104との間に使用して、スターリングサイクル装置100の出力(例えば、冷却出力)を制御することができる。
Furthermore, volume variations in each working space of the "warm"
「冷」ユニット102における対応して対を成す作動空間の容積174、及び「暖」ユニット104における対を成す作動空間の容積176の変動グラフを図22に示す。「暖」ユニット104における2軸スクリュー機構116の回転は、「冷」ユニットの2軸スクリュー機構118とは90゜オフセットする。
A variation graph of the
図23は、2つの対を成す作動空間のための2つの対を成す作動容積174、176の合計178を示す。2つの対を成す作動容積174、176の合計178は、従来型スターリング機関における作動空間の変動(図2a参照)に極めて近似する。したがって、「冷」ユニット102における対を成す作動空間を「暖」ユニット104における対を成す作動空間に接続するとき(熱交換器110、114及び再生器1122のセットを介して)、スターリングサイクル冷却装置100を実現することができる。「冷」ユニット102における4つの作動空間及び「暖」ユニット104における4つの作動空間が存在するため、スターリングサイクル冷却器は、4つの個別ガス回路による同等物を有し、4つのガス回路それぞれは、図24に示すのと同様の圧力−体積(pressure-volume)グラフを有し、圧縮空間のPVグラフ180は膨張空間のPVグラフ182よりも大きい(すなわち、冷却モード)。
FIG. 23 shows a total 178 of two pairs of working
スクリュー機構の代替的設計を図25、26及び27に示し、これら機構のすべては、本発明の例示的実施形態で説明した2ローブ2軸スクリュー機構116、118の代わりに使用することができる。当業者であれば、本発明の特徴的概念から逸脱することなく、「冷」及び「熱」ユニットのための及びそれらの間における対応する内部及び外部の流体接続部、導管及び流体出口に対する変更が必要となることは理解されるであろう。例えば、多ブロック式スクリュー機構を図25に示し、この場合、単一の共通雄形又は雌形のロータ202を対応する雄形ロータ204と雌形ロータ206との間に配列する。
An alternative design of the screw mechanism is shown in FIGS. 25, 26 and 27, all of which can be used in place of the two-lobe
さらに、様々な異なるロータローブのジオメトリ形態及びプロファイルをスターリングサイクル装置に使用することができ、例えば、圧縮及び膨張の作動空間相互間の位相角度が適切な冷却/加熱性能又は機械的仕事の出力を発生するのに適しているならば、2つより多いローブを有するスクリューを利用することができる。さらに、ロータ及びローブは、異なる直径及び/又は長さで形成することができ、例えば、「冷」ユニットにおける2軸スクリューロータは、「暖」ユニットにおける2軸スクリューロータよりも大きい、又はそれとは逆に小さいものにすることができ、熱源とヒートシンクとの比較的小さい温度差でパワー、冷又は熱発生を増幅することができる。 Additionally, a variety of different rotor lobe geometries and profiles can be used in the Stirling cycle apparatus, eg, the phase angle between the compression and expansion working spaces produces an adequate cooling / heating performance or mechanical work output If suitable to do so, a screw with more than two lobes can be used. Furthermore, the rotor and the lobes can be formed with different diameters and / or lengths, for example, a twin screw rotor in the "cold" unit is larger than or larger than a twin screw rotor in the "warm" unit Conversely, it can be small and power, cold or heat generation can be amplified with a relatively small temperature difference between the heat source and the heat sink.
図26は、3ローブロータ302を有する2つの2軸スクリュー機構300の例を示し、図27は、4ローブロータ402を有する2つの2軸スクリュー機構400の例を示す。雄形シャフトの中間区域(回転バルブ機構)は、対応する導管の追加セット(例えば、追加ローブあたり対応する導管のセットを各個に追加する)を有することができ、それぞれは、膨張パート及び圧縮パートにおける対をなすチャンバの総和を対応する2つの作動空間に分割し、シャフト回転によるガス圧縮/膨張の必要な周期的体積変動を生ずるようにすることができる。さらに、作動空間の追加セット(例えば、追加ローブによって形成される追加チャンバからの)は、結果として追加ガス回路を形成することになると、理解されたい。
FIG. 26 shows an example of a two
本発明の他の代替的実施形態において、駆動連結アセンブリは、図28〜30(a)、(b)に示す代替的なバルブ機構502を有することができる。この代替的なバルブ機構において、駆動シャフト506の外面の第1周方向セグメントにわたり延在して、それぞれに対応の所定第1軸方向位置に、軸線方向に互いに離間しかつ周方向に部分的に延在する第1流体チャンネル504を設け、また駆動シャフト506の外面の第2周方向セグメントにわたり延在して、それぞれに対応の所定第2軸方向位置に、軸線方向に互いに離間しかつ周方向に部分的に延在する第2流体チャンネル508を設け、この場合、第1周方向セグメントは第2周方向セグメントとは半径方向反対側に設けられ、また第1軸方向位置それぞれは第2軸方向位置のそれぞれとは軸線方向にオフセットされるものである。さらに、第1流体導管510及び第2流体導管512は駆動シャフト506に設ける。流体導管510、512それぞれは、2つの流体的結合した出口ポート511、513を有し、第1出口ポート511は第1流体チャンネル504のうちの1つに流体結合され、また第2出口ポート513は第1流体チャンネル508のうちの1つに流体結合される。流体接続部514は、駆動シャフト506を包囲するケーシング516に配置し、また各流体接続部514は、駆動シャフト506の回転中に第1流体チャンネル504又は第2流体チャンネル508のうちの一方に対する流体接続部を一時的に形成し得る。
In another alternative embodiment of the present invention, the drive connection assembly can have an
本発明の他の代替的実施形態600を図31に示し、この場合、スクロール機構602、604を上述した2軸スクリュー機構の代わりに使用する。この動作原理は、2軸スクリューロータを有する実施形態につき説明したのと同一であり、すなわち、「冷」ユニット604におけるシャフト回転を「暖」ユニット602におけるシャフト回転と同期させ、「冷」ユニット604の作動空間変動と「暖」ユニット602の作動空間変動との間に最適な位相角度が存在するようにする。作動プロセスは、図20〜23に示したグラフによって説明することができるが、サイクルの完了には2回又はそれ以上のシャフト周回転を必要とすることを理解されたい。
Another
さらにまた他の代替的実施形態(図示せず)において、異なる圧縮/膨張機構(例えば、スクロール及び2軸スクリュー)を組み合わせることができる。しかし、体積変動(線形的又は非線形的な鋸歯状関数に従う)を同期させて、閉じた再生式スターリングサイクルを形成するものと理解されたい。 Furthermore, in other alternative embodiments (not shown), different compression / expansion mechanisms (eg, scroll and twin screw) can be combined. However, it should be understood that the volume fluctuations (following a linear or non-linear sawtooth function) are synchronized to form a closed regenerative Stirling cycle.
さらに、実施形態における容積部の接続は、回転円錐スクリュー機構を利用するとき、2軸スクリューロータと同様にすることができる。 Furthermore, the connection of the volumes in the embodiment can be similar to a twin screw rotor when utilizing a rotary conical screw mechanism.
加えて、本発明の多段構成(冷却モードにおける)を使用して、上述の実施形態で可能であるように、より低い温度でさえも達成することができる。さらに、本発明スターリングサイクルのマシンは、フラット型、ボックス型、円筒型及び他の形式として設けることができる。上述したように、熱交換器又は熱交換器の少なくとも一部は、ケーシング又はロータシャフトの少なくとも一部に組み込み、本発明スターリングサイクル装置のサイズを小型化することができる。代案として、ケーシング又はシャフトの一部を熱交換器のうちの1つとして利用することができる。 In addition, the multi-stage configuration of the invention (in the cooling mode) can be used to achieve even lower temperatures, as is possible with the above-described embodiments. Additionally, the Stirling cycle machine of the present invention can be provided as flat, box, cylindrical and other types. As noted above, the heat exchanger or at least a portion of the heat exchanger may be incorporated into at least a portion of the casing or rotor shaft to reduce the size of the inventive Stirling cycle device. Alternatively, part of the casing or shaft can be used as one of the heat exchangers.
当業者であれば、上述の実施形態は単に例として説明され、限定する意味はないものであり、また特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく種々の改変及び変更が可能であることは理解されるであろう。 Those skilled in the art will appreciate that the embodiments described above are described by way of example only and are not meant to be limiting and that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the invention as defined in the claims. It will be understood that it is possible.
102 「膨張」又は「冷」ユニット
104 「圧縮」又は「暖」ユニット
106 コンプレッサ機構
108 エキスパンダ機構
110 「冷」熱交換器
112 再生器
114 「暖」熱交換器
116 2軸スクリュー機構
118 2軸スクリュー機構
120 2軸スクリューロータ(雄形)
122 2軸スクリューロータ(雌形)
124 圧縮パート
126 膨張パート
128 圧縮パート
130 膨張パート
132 単一駆動シャフト
134 単一駆動シャフト
136 エンクロージャ
138 ボックス(変速装置)
140 ケーシング
144 導管
146 導管
148 導管
150 導管
152 流体ポート
154 第1出口
156 第2出口
158 流体チャンネル
160 流体チャンネル
161 シールリング
162 流体接続部
164 パイプ
166 圧縮容積変動
168 膨張容積変動
170 第1作動空間
172 第2作動空間
202 単一の共通雄形又は雌形のロータ
204 雄形ロータ
206 雌形ロータ
300 2軸スクリュー機構
302 3ローブロータ
400 2軸スクリュー機構
402 4ローブロータ
502 バルブ機構
504 第1流体チャンネル
506 駆動シャフト
508 第2流体チャンネル
510 第1流体導管
511 出口ポート
512 第2流体導管
513 出口ポート
514 流体接続部
516 ケーシング
602 スクロール機構(「暖」ユニット)
604 スクロール機構(「冷」ユニット)
102 "expansion" or "cold"
122 Twin screw rotor (female)
124
140
604 Scroll mechanism ("cold" unit)
Claims (22)
密封可能なハウジングと、
第1回転変位ユニットが第2回転変位ユニットと流体連通し、各ユニットは前記ハウジング内に別個の流体密部分内で各ユニットを操作可能に備え付け、使用中作動流体の少なくとも1つの熱力学的状態パラメータの周期的変化を生じ得るようにした、該第1及び第2の回転変位ユニットであって、前記第1及び第2の回転変位ユニットそれぞれは、
コンプレッサ機構であって、前記作動流体の第1部分を受け容れ得る第1コンプレッサ作動チャンバ、及び前記作動流体の第2部分を受け容れ得る第2コンプレッサ作動チャンバを有し、前記第1コンプレッサ作動チャンバは第1出口ポートを有し、また前記第2コンプレッサ作動チャンバは第2出口ポートを有する、該コンプレッサ機構、
エキスパンダ機構であって、前記作動流体の前記第1部分を受け容れ得る第1エキスパンダ作動チャンバ、及び前記作動流体の前記第2部分を受け容れ得る第2エキスパンダ作動チャンバを有し、前記第1エキスパンダ作動チャンバは第1入口ポートを有し、また前記第2エキスパンダ作動チャンバは第2入口ポートを有する、該エキスパンダ機構、
前記第1エキスパンダ機構を前記第1コンプレッサ機構に対して操作可能かつ動作可能に連結し得る駆動連結アセンブリであって、
前記第1コンプレッサ作動チャンバと前記第1エキスパンダ作動チャンバとの間、及び前記第2コンプレッサ作動チャンバと前記第2エキスパンダ作動チャンバとの間において、前記第1及び第2の回転変位ユニットの回転角度の所定インターバルで所定シーケンスの周期的流体交換を生じ得る回転バルブ機構を有する、該駆動連結アセンブリ、
を含む、該第1及び第2の回転変位ユニットと、
前記第1及び第2の回転変位ユニットに操作可能に連結したアクチュエータであって、前記第1回転変位ユニットの回転運動を前記第2の回転変位ユニットに同期するようリンクさせ、これにより、使用中に、前記作動流体の少なくとも1つの熱力学的状態パラメータの前記第1所定周期変化が、前記作動流体の少なくとも1つの熱力学的状態パラメータの前記第2所定周期変化に対して所定位相角だけオフセットし得るようにした、該アクチュエータと、
を備える、スターリングサイクル装置。 In the Stirling cycle device,
A sealable housing,
A first rotational displacement unit is in fluid communication with a second rotational displacement unit, each unit operably mounting each unit in a separate fluid tight portion in the housing, at least one thermodynamic state of the working fluid during use The first and second rotational displacement units adapted to generate a periodic change of a parameter, each of the first and second rotational displacement units being
A compressor mechanism having a first compressor working chamber which can accepted the first part of the working fluid, and a second compressor working chamber capable accepted a second portion of said working fluid, said first compressor working chamber Said compressor mechanism having a first outlet port and said second compressor working chamber having a second outlet port,
A expander mechanism includes a first expander working chamber of the first can accepted the portion, and a second expander working chamber which can accepted the second portion of said working fluid of said working fluid, said The expander mechanism, wherein the first expander working chamber has a first inlet port, and the second expander working chamber has a second inlet port.
A drive coupling assembly operable to operatively couple the first expander mechanism to the first compressor mechanism,
The rotation of the first and second rotational displacement units between the first compressor working chamber and the first expander working chamber, and between the second compressor working chamber and the second expander working chamber The drive coupling assembly having a rotary valve mechanism capable of causing a predetermined sequence of periodic fluid exchange at predetermined intervals of an angle,
The first and second rotational displacement units, including
An actuator operatively coupled to the first and second rotational displacement units, wherein the rotational movement of the first rotational displacement unit is linked to synchronize with the second rotational displacement unit, thereby using Wherein the first predetermined period change of the at least one thermodynamic state parameter of the working fluid is offset by a predetermined phase angle with respect to the second predetermined period change of the at least one thermodynamic state parameter of the working fluid The actuator, which can be
, A Stirling cycle device.
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